鋼護筒嵌巖樁基聯合受力響應特性試驗研究

陳貴發 朱峰

摘要：為了掌握鋼護筒樁基礎的受力特性與破壞機理，提高工程結構的安全性，以某內河直立碼頭項目為研究對象，開展了1∶20的室內鋼護筒嵌巖樁模型試驗，分別對普通預制樁和鋼護筒預制樁進行了嵌巖豎向承載試驗和水平承載試驗，對比分析了有鋼護筒和沒有鋼護筒的條件下，樁體嵌巖深度對樁基承載性能的影響。分析結果表明，由于鋼-巖土界面的咬合力較弱，鋼護筒嵌巖樁的豎向承載力略小于普通嵌巖樁的豎向承載力;鋼護筒對樁身剛度的加強可以將樁頂水平荷載的作用效應放大傳遞至鋼護筒下端面，導致下端面的混凝土呈水平向脆性剪切破壞，從而可能降低鋼護筒嵌巖樁的水平承載力。研究結果可以為鋼護筒嵌巖樁碼頭結構設計提供數據參考。

關鍵詞：港口工程;嵌巖樁;鋼護筒;模型試驗;承載力

中圖分類號：TU45文獻標識碼：ADOI： 10.7535/hbgykj.2021yx03013

Abstract：In order to master the stress characteristics and failure mechanism of steel casing pile foundation and improve the safety of engineering structure， the 1∶20 indoor model test of rock embedded steel casing pile was carried out by taking an inland river vertical wharf as the research project. The vertical bearing test and horizontal bearing test of common precast piles and steel casing precast piles were carried out respectively， and the influence of rock embedded depth on the bearing capacity of pile foundation with and without steel casing. The results show that the vertical bearing capacity of the steel casing rock embedded piles is slightly less than that of the ordinary rock embedded piles due to the weak bite force of the steel-soil interface; the reinforcement of pile stiffness by steel casing can amplify the effect of horizontal load on pile top and transfer it to the lower end face of steel casing， resulting in horizontal brittle shear failure of concrete at the lower end face， which may reduce the horizontal bearing capacity of rock embedded piles with steel casing. The research results can provide data reference for the structural design of steel casing rock embedded pile wharf.

Keywords：port engineering; rock embedded pile; steel casing; model test; bearing capacity

近年來，得益于內地大型水利設施的不斷完善，各大干線航道的通航水深條件均得到巨大改善[1-2]。長江航道沿途新增設了多個深水港口，內河航運的優勢得到了進一步充分發揮[3-4]。框架式直立碼頭作為一種可以通過分層系纜而適應水位變化的水工結構形式，在內河港口建設中得到了廣泛應用[5-6]。

受到施工工藝的影響，內河碼頭施工過程中通常需要在泥質岸坡中提前埋入鋼護筒直到基巖作為鋼筋混凝土樁基的成樁支護，然而在成樁完成后，鋼護筒一般直接保留于原地，從而形成鋼護筒嵌巖樁復合基礎[7]。與鋼筋混凝土嵌巖樁相比，鋼護筒嵌巖復合樁的不同組件之間具有明顯的協同受力特征[8]。現有的工程經驗表明，鋼護筒的存在對提高施工便捷度和結構剛度起到積極作用，但是鋼護筒顯著改變了結構抗力分布的均勻性，從而使得結構的破壞模式變得復雜而且難以預測。因此開展結構受力特性研究有利于優化結構設計承載力，提高工程結構的安全性和可靠度。

已有研究[9]認為，鋼護筒嵌巖樁與普通鋼管混凝土樁相比，在承受的荷載類型上有巨大差異。普通混凝土樁，由于約束作用，而需要承受額外的彎矩，因此鋼套筒與混凝土之間的變形協調問題顯得格外突出，鋼護筒對混凝土樁基的保護機制顯得極為復雜[10]。現有針對鋼護筒混凝土結構的研究大多數集中在數值模擬計算和局部結構試件試驗方面。如汪德隆等[11]參考數值計算的分析結果對鋼護筒樁的變形處理提出了應對措施;曾定幫等[12]基于大量局部模型試驗的結果對鋼護筒灌注樁的施工過程提出了定量要求。從已有的研究報道看，針對鋼護筒灌注樁的整體模型試驗成果相對較少。

本文依托重慶港果園作業區二期擴建工程，通過室內單樁的物理模型對比試驗，對內河框架碼頭鋼護筒嵌巖樁基在豎向和水平力作用下的受力特性、樁基失效模式分別進行了研究，定量分析鋼護筒對結構的加強作用，為類似工程提供參考案例。第3期陳貴發，等：鋼護筒嵌巖樁基聯合受力響應特性試驗研究河北工業科技第38卷

1模型試驗

鋼護筒外側與地基土體直接接觸，內側裹有鋼筋混凝土樁體結構。在荷載作用下，鋼護筒與地基土之間必然會產生相對滑移等非線性作用;在荷載逐漸增大的過程中，鋼護筒與混凝土樁體之間同樣會在界面位置發生不協調變形，從而在結構的力學響應上呈現不同特性[13]。為了對上述現象開展直觀定量的研究，本文選取1∶20作為模型試驗比尺，開展鋼護筒嵌巖樁的承載特性研究。

1.1試驗模型與裝置

模型試驗中，依據相似規則，采用直徑100 mm，壁厚1 mm的鋼管模擬真實情況下的鋼護筒;樁芯混凝土采用M30水泥砂漿進行模擬，其質量配合比設定為m（水泥）∶m（石英砂）∶m（水）=100∶176∶32;按照配筋率一致為標準，鋼筋主筋設置為4根，直徑4 mm;箍筋選用直徑0.1 mm鋼絲，間距設置為3 cm。配筋示意圖如圖1所示。

根據長江中下游的典型基巖特性[14]，泥巖的單軸抗壓強度約4 MPa，強風化狀態下的地基承載力可達到300 kPa。試驗中采用低強度混凝土來模擬基巖對樁的作用，選取質量配合比m（水泥）∶m（粗骨料）∶m（細骨料）=100∶100∶400制作人工混凝土基巖，經測試混凝土基巖的抗壓強度為300 kPa。

試驗中采用液壓千斤頂對樁體分別進行豎向與水平向加載，加載裝置如圖3所示。實施過程中采用逐級加載的方式進行控制[15-17]，每一級載荷大小為預估承載力的10%。實施過程確保荷載傳遞均勻有效，并以5 min內位移響應差值小于0.01 mm為加載穩定的標準。

試驗中，在樁頂部及樁身側面布設傳感元件記錄加載過程中樁體不同部位的動態響應過程。采用荷載傳感器與千斤頂串聯方式直接測量荷載大小;采用位移計測量樁頂的縱橫向位移及地基位置處的橫向位移;采用應變片測量樁身軸向應變和地基橫向應變。應變片具體布置如圖4所示。

1.2試驗設計

為了對比分析鋼護筒及嵌巖深度對樁基承載性狀的影響，根據嵌巖深度，在有/無鋼護筒以及不同加載方向條件下，共設計12根模型樁，試驗模型樁編號及基本尺寸參數見表1。

表1中，樁的代號中，Z代表嵌巖深度：Z1，Z2和Z3分別代表嵌巖深度為300，400和500 mm;P代表有無鋼護筒：P1代表有鋼護筒，P2代表無鋼護筒。

2試驗結果分析

2.1樁基礎豎向承載力結果分析

為對比說明鋼護筒對嵌巖樁豎向受力與變形的作用，試驗選取了Z1P1（有鋼護筒）和Z1P2（無鋼護筒）2組結果進行對比，荷載-位移結果如圖5所示。

從圖5中可以看到：在荷載加載至9 kN之前，2個試驗方案的豎向力-位移曲線幾乎重合，當豎向荷載進一步加大后，有鋼護筒的試驗樁（Z1P1）位移變化幅度大于Z1P2樁。經過對試驗的分析可知，該結果是由于隨著豎向力的增加，鋼護筒逐漸被壓入地基中，但鋼與地基的咬合作用弱于混凝土與地基的咬合作用，因此豎向剛度隨著豎向位移的增加而逐漸減弱。對于豎向承載力亦是同理，由于鋼護筒的機械咬合力較弱，導致嵌巖樁的整體豎向承載力相比無鋼護筒的情況減小約10%。

為進一步說明鋼護筒對嵌巖樁側摩阻力的影響，試驗選取了Z2P1（有鋼護筒）和Z2P2（無鋼護筒）2組結果進行對比，樁身軸力沿著深度的變化結果如圖6所示。從圖中可以看出，Z2P1樁與Z2P2樁側摩阻力分布均呈雙峰型。在巖面至樁身嵌巖深度1/3之間，側摩阻力得到充分的發揮。在樁身嵌巖深度1/3至2/3之間，樁側阻力均減小，但鋼護筒嵌巖樁的減小程度小于傳統嵌巖樁。在樁身嵌巖深度2/3至嵌巖底端之間，樁側摩阻力又因為復雜的端部土體變形而有所增加。從軸力分布結果來看，鋼護筒嵌巖樁的樁側摩阻力值變化較小，分布較為均勻。

2.2樁基礎水平承載力結果分析

為說明鋼護筒對嵌巖樁在橫向力作用下變形的影響，選取了Z4P1（有鋼護筒）和Z4P2（無鋼護筒）2組結果進行對比，其對應的水平力-位移結果如圖7所示。

從圖7中可以看到，對于模型樁Z4P1，當水平位移小于3 mm時，樁頂的水平位移隨橫向荷載的增加呈線性增大;當水平位移超過3 mm之后樁體水平承載力停止顯著增長，當樁頂的水平位移接近9 mm時，水平荷載達到樁的水平極限承載能力。對于樁Z4P2，當水平位移超過6 mm之后則呈非線性變化;當樁頂的水平位移接近15 mm時，樁體達到水平極限承載能力。從試驗結果看，鋼護筒嵌巖樁的水平極限承載能力約為0.4 kN，而傳統嵌巖樁的承載能力約為1.65 kN，這表明，在相同的嵌巖深度下，鋼護筒嵌巖樁的極限承載能力僅為普通嵌巖樁的1/4，另外2種嵌巖深度下的規律也基本一致。因此鋼護筒會大幅降低樁身的水平承載能力。

為比較不同嵌入深度對鋼護筒嵌巖樁的水平承載力的影響，選取了Z4P1（嵌入3D）、Z5P1（嵌入4D）和Z6P1（嵌入5D）3組試驗結果進行對比，其對比結果如圖8所示。

從圖8中可以看出，3條曲線的斜率隨著嵌巖深度的增加而增加，這說明嵌巖深度的增大會提高樁體的水平變形模量;3個試驗樁的水平極限承載能力呈現先增大后減小的趨勢，Z4P1的承載力為0.45 kN，Z5P1的承載力為0.70 kN，Z6P1的承載力降低為0.40 kN，結論說明嵌巖深度對樁基承載力的影響同樣是非線性的。

樁基破壞模式是影響樁體承載力的根本因素。本次試驗在完成水平向加載后，記錄普通樁和鋼護筒樁的失效狀態，結果如圖9所示。從圖9中可以看到對于普通嵌巖樁，其在水平加載作用下的破壞面出現在泥面附近，與水平向呈45°，是典型的斜截面受彎破壞;鋼護筒嵌巖樁的破壞模式與混凝土樁相比存在顯著區別，由于鋼護筒的局部加強作用，護筒包裹區無顯著破壞，直到鋼護筒底部出現水平向失效面，呈典型的正截面剪切破壞。

結合樁基礎的破壞模式和受力與變形的實測結果進行分析，發現鋼護筒對混凝土的保護作用可以有效提高對應區域的樁身剛度和強度。但是由此帶來的影響是來自樁頂部的荷載均傳遞至樁底部嵌巖段，因此結構的整體承載力是由嵌巖段的強度決定的。在實際使用過程中，由于在彎剪聯合作用下樁結構正截面缺少有效的抗力，導致沿著鋼護筒下邊緣的結構截面承載力較低，甚至出現脆性破壞。因此鋼護筒樁基礎在設計過程中應當充分考慮到這一點。

3結語

本文基于模型試驗的方法研究了鋼護筒對嵌巖樁受力變形以及承載力的影響，試驗采用分組對比的方法對不同荷載類型、不同荷載大小、不同嵌巖深度條件下嵌巖樁承載力和破壞模式在有/無鋼護筒狀態下的差異。得到的結論如下。

1）豎向荷載作用下，由于鋼-巖土界面的咬合力較弱，鋼護筒嵌巖樁的承載力略小于無鋼護筒的嵌巖樁。

2）水平荷載作用下，鋼護筒可以有效提高樁體的水平變形剛度，但是由于鋼護筒可以有效將頂部荷載放大傳遞至樁底部，因此樁底部的混凝土結構強度和嵌巖深度對嵌巖樁水平承載力有較大影響;除此以外，鋼護筒嵌巖樁的破壞模式也與無鋼護筒樁存在差異，呈現水平截面剪切破壞的狀態。因此在后續工程中，建議鋼護筒的打設深度盡量短淺，以足夠形成護壁為標準，過大的深度會對樁基的破壞模式產生不利影響。

3）在水平力作用下，鋼護筒嵌巖樁的薄弱面位于鋼護筒下端面。因此在工程實踐中需要對該區域混凝土開展特殊的形狀與配筋設計，從而實現局部加固。

試驗研究僅考慮了單一荷載類型加載，在后續研究中可以進一步開展組合荷載試驗以獲得結構連續的承載力包絡曲線。

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